GPS

Constelația de sateliți a sistemului NAVSTAR se învârte în jurul Pământului pe orbite circulare cu aceeași înălțime și perioadă de revoluție pentru toți sateliții. O orbită circulară cu o altitudine de aproximativ 20.200 km (raza orbitală de aproximativ 26.600 km ) este o orbită de multiplicitate diurnă cu o perioadă orbitală de 11 ore și 58 de minute; astfel, satelitul face două orbite în jurul Pământului într-o zi siderale ( 23 de ore și 56 de minute ). Adică, timpul dintre două treceri succesive ale aceluiași punct de pe suprafața pământului de către un punct sub-satelit este aproximativ egal cu 23 de ore și 56 de minute.

Înclinația orbitală (55°) este, de asemenea, comună tuturor sateliților din sistem. Singura diferență între orbitele sateliților este longitudinea nodului ascendent sau punctul în care planul orbitei satelitului intersectează ecuatorul: aceste puncte sunt la aproximativ 60 de grade unul de celălalt . Astfel, în ciuda acelorași (cu excepția longitudinei nodului ascendent ) parametrilor de orbită, sateliții se învârt în jurul Pământului în șase planuri diferite, câte 4 dispozitive în fiecare.

Caracteristici RF

Sateliții radiază semnale deschise pentru utilizare în intervalele: L1 = 1575,42 MHz și L2 = 1227,60 MHz (începând cu blocul IIR-M), iar modelele IIF radiază, de asemenea, la o frecvență de L5 = 1176,45 MHz . Aceste frecvențe sunt armonicile 154, 120 și, respectiv, 115 ale frecvenței fundamentale 10,23 MHz , generate de ceasul atomic de la bordul satelitului cu o instabilitate zilnică nu mai rea de 10 −13 ; în același timp, frecvența ceasului atomic este deplasată la o valoare de 10,229 999 995 43 MHz pentru a compensa deplasarea relativistă din cauza mișcării satelitului în raport cu observatorul de la sol și a diferenței de potențiale gravitaționale ale satelitului. și observatorul de pe suprafața Pământului (vezi Timpul sistemelor de navigație prin satelit ) [12] . Informațiile de navigație pot fi recepționate de o antenă (de obicei în linia vizuală a sateliților) și procesate folosind un receptor GPS .

Semnalul cod de precizie standard (cod C/A - modulație BPSK (1)) transmis în banda L1 (și semnalul L2C (modulație BPSK) în banda L2 începând cu dispozitivele IIR-M) este distribuit fără restricții de utilizare. Folosit inițial pe L1, intensificarea artificială a semnalului (mod de acces selectiv - S/A) a fost dezactivată din mai 2000. Din 2007, Statele Unite au abandonat în cele din urmă tehnica îngroșării artificiale. Este planificată introducerea unui nou semnal L1C (modulație BOC (1,1)) în banda L1 odată cu lansarea dispozitivelor Block III. Va avea compatibilitate inversă, capacitate îmbunătățită de urmărire a traseului și este mai compatibil cu semnalele L1 ale sistemului european de poziționare prin satelit Galileo .

Pentru utilizatorii militari, sunt disponibile suplimentar semnale în benzile L1 / L2, modulate printr-un cod P (Y) cripto-rezistent la zgomot (modulație BPSK (10)). Începând cu dispozitivele IIR-M, a fost pus în funcțiune un nou cod M (se folosește modulația BOC (10, 5)). Utilizarea codului M face posibilă asigurarea funcționării sistemului în cadrul conceptului Navwar (război de navigație). Codul M este transmis pe frecvențele existente L1 și L2. Acest semnal are imunitate sporită la zgomot și este suficient să se determine coordonatele exacte (în cazul codului P, a fost necesară și obținerea codului C / A). O altă caracteristică a codului M va fi capacitatea de a-l transmite pentru o anumită zonă cu un diametru de câteva sute de kilometri, unde puterea semnalului va fi cu 20 de decibeli mai mare. Semnalul M convențional este deja disponibil pe sateliții IIR-M, în timp ce fasciculul îngust va fi disponibil doar pe sateliții GPS-III.

Odată cu lansarea satelitului bloc IIF, a fost introdusă o nouă frecvență L5 ( 1176,45 MHz ). Acest semnal se mai numește și siguranță vieții (protecția vieții umane). Semnalul L5 este cu 3 decibeli mai puternic decât semnalul civil și are o lățime de bandă de 10 ori mai largă. Semnalul poate fi utilizat în situații critice asociate cu o amenințare la adresa vieții umane. Semnalul complet va fi folosit după 2014.

Semnalele sunt modulate de secvențe pseudo-aleatoare (PRN – Pseudorandom Noise) de două tipuri: C/A-code și P-code. C/A (Clear access) - un cod public - este un PRN cu o perioadă de repetiție de 1023 de cicluri și o rată de repetare a pulsului de 1,023 MHz . Cu acest cod funcționează toate receptoarele GPS civile. Codul P (protejat/precis) este utilizat în sistemele închise pentru uz general, perioada de repetare este de 2·10 14 cicluri . Semnalele modulate cu cod P sunt transmise pe două frecvențe: L1 = 1575,42 MHz și L2 = 1227,6 MHz . Codul C/A este transmis doar pe frecvența L1. Transportatorul, pe lângă codurile PRN, este și modulat cu un mesaj de navigație.

24 de sateliți asigură că sistemul este pe deplin operațional oriunde în lume, dar nu poate oferi întotdeauna o recepție fiabilă și un calcul bun al poziției. Așadar, pentru a crește precizia de poziționare și rezerva în caz de defecțiuni, numărul total de sateliți pe orbită se menține într-un număr mai mare (32 de sateliți în septembrie 2018).

Posturi de control la sol ale segmentului spațial

Orbiterii sunt monitorizați de stația principală de control și de 10 stații de urmărire. Stația principală este situată la Baza Forțelor Aeriene Falcon, Colorado . Restul staţiilor de urmărire sunt situate la bazele militare americane din Colorado Springs , pe insulele Hawaii , Ascension , Diego Garcia , Kwajelein . Stațiile de pe Insula Ascensionului , Diego Garcia , Kwajelein sunt capabile să trimită date de corecție către sateliți sub formă de semnale radio cu o frecvență de 2000-4000 MHz . Cea mai recentă generație de sateliți distribuie datele primite între alți sateliți [13] .

Aplicarea GPS

În ciuda faptului că proiectul GPS a fost inițial destinat unor scopuri militare, astăzi GPS-ul este utilizat pe scară largă în scopuri civile. Receptoarele GPS sunt vândute în multe magazine de electronice și sunt încorporate în telefoane mobile , smartphone -uri , ceasuri de mână , PDA-uri și echipamente de bord . Consumatorilor li se oferă, de asemenea, diverse dispozitive și produse software care le permit să-și vadă locația pe o hartă electronică; având capacitatea de a așeza trasee ținând cont de semnele rutiere, virajele permise și chiar ambuteiajele; căutați pe hartă anumite case și străzi, atracții, cafenele, spitale, benzinării și alte infrastructuri.

• Geodezie : Folosind GPS, sunt determinate coordonatele exacte ale punctelor și limitelor terestre.
• Cartografie : GPS-ul este utilizat în cartografia civilă și militară.
• Navigare : Folosind GPS, se efectuează atât navigația pe mare, cât și pe cea rutieră.
• Monitorizarea prin satelit a transportului : cu ajutorul GPS-ului se monitorizează poziția, viteza mașinilor, iar mișcarea acestora este controlată.
• Celular : Primele telefoane mobile cu GPS au aparut in anii 90. În unele țări, cum ar fi Statele Unite, GPS-ul este utilizat pentru a localiza rapid o persoană care sună la numărul de urgență 911 . În Rusia, în 2010, a fost lansat un proiect similar ERA-GLONASS .
• Tectonica , tectonica plăcilor : GPS-ul este utilizat pentru a monitoriza mișcările și oscilațiile plăcilor [14] .
• Activități în aer liber : Există diverse jocuri care folosesc GPS, cum ar fi geocaching , etc.
• Geoetichetarea : informațiile, cum ar fi fotografiile, sunt „atașate” la coordonate folosind receptoare GPS încorporate sau externe.

Au existat propuneri de integrare a sistemelor Iridium și GPS.

Precizie

Componentele care afectează eroarea unui satelit la măsurarea pseudorange sunt prezentate mai jos [15] :

Eroarea totală în acest caz nu este egală cu suma componentelor, ci se adună pătratic: deoarece componentele erorii sunt considerate independente.

Coeficientul de corelație al erorilor a două receptoare GPS adiacente (când funcționează în modul cod) este 0,15-0,4, în funcție de raportul semnal-zgomot. Cu cât raportul semnal-zgomot este mai mare, cu atât este mai mare corelația. Când umbriți unii dintre sateliți și re-reflectați semnalul, corelația poate scădea la zero și chiar la valori negative. De asemenea, coeficientul de corelare a erorii depinde de factorul geometric. La PDOP < 1,5, corelația poate ajunge la 0,7. Deoarece eroarea GPS este formată din mai multe componente, nu poate fi reprezentată ca zgomot alb normal . După forma distribuției, eroarea este suma erorii normale, luate cu un coeficient de 0,6–0,8, și eroarea având distribuția Laplace cu un coeficient de 0,2–0,4. Autocorelarea erorii totale GPS scade la 0,5 în aproximativ 10 secunde [16] .

Precizia tipică a receptoarelor GPS moderne în plan orizontal este de aproximativ 6-8 metri cu vizibilitate bună prin satelit și utilizarea algoritmilor de corecție . În Statele Unite, Canada, Japonia, China, Uniunea Europeană și India există stații WAAS , EGNOS , MSAS , etc., care transmit corecții pentru modul diferențial, ceea ce reduce eroarea la 1-2 metri în aceste țări. Când se utilizează moduri diferențiale mai complexe, precizia determinării coordonatelor poate fi mărită la 10 cm . Precizia oricărui SNS depinde în mare măsură de deschiderea spațiului, de înălțimea sateliților utilizați deasupra orizontului.

Începând cu 2010, este lansată versiunea GPS IIF a sateliților spațiali, care oferă o precizie mult mai mare a poziției. Dacă dispozitivele GPS IIA / IIR / IIR-M au o eroare de 6 metri , atunci cu ajutorul noilor sateliți este posibil să se determine locația cu o eroare de cel mult 60-90 cm . Precizia îmbunătățită a noii generații de sateliți GPS este posibilă prin utilizarea unor ceasuri atomice mai precise . Deoarece sateliții călătoresc cu aproximativ 14.000 km/h ( 3,874 km/s ) ( viteză circulară la 20.200 km ), îmbunătățirea preciziei timpului chiar și în a șasea cifră este esențială pentru trilaterație .

Inițial a fost planificată lansarea a 33 de sateliți de nouă generație, dar din cauza unor probleme tehnice, începerea lansării a fost amânată din 2006 până în 2010, iar numărul de sateliți a fost redus de la 33 la 12. În septembrie 2018, toți cei doisprezece sateliți din noile versiuni au fost puse pe orbită: GPS IIF SV -1 (lansat pe 28 mai 2010), GPS IIF-2 (lansat pe 16 iulie 2011), GPS IIF-3 (lansat pe 4 octombrie 2012), GPS IIF-4 ( lansat pe 15 mai 2013), GPS IIF-5 (lansat pe 21 februarie 2014), GPS IIF-6 (lansat pe 17 mai 2014), GPS IIF-7 (lansat pe 2 august 2014 ), …GPS IIF-8 (lansat pe 29 octombrie 2014), GPS IIF-9 (lansat pe 25 martie 2015), GPS IIF-10 (lansat pe 15 iulie 2015), GPS IIF-11 (lansat pe 30 octombrie 2015), GPS IIF-12 (lansat pe 5 februarie 2016).

Cu toate acestea, chiar și o precizie de 10 cm nu este suficientă pentru o serie de sarcini de geodezie, în special pentru legarea limitelor terenurilor adiacente de teren. Cu o eroare de 10 cm , aria unei parcele de 600 m² poate scădea sau crește cu 10 m² . În prezent, pentru lucrări geodezice, receptoarele GPS care funcționează în modul RTK sunt din ce în ce mai folosite . În acest mod, receptorul primește atât un semnal de la sateliți, cât și semnale de la stațiile de bază de la sol. Modul RTK oferă precizie în timp real de ordinul a 1 cm pe orizontală și 2 cm pe verticală.

Dezavantaje

Un dezavantaj comun al utilizării oricărui sistem de radionavigație este că, în anumite condiții, semnalul poate să nu ajungă la receptor sau să ajungă cu distorsiuni sau întârzieri semnificative. De exemplu, este aproape imposibil să vă determinați locația exactă în adâncul unui apartament în interiorul unei clădiri din beton armat, într-un subsol sau într-un tunel, chiar și cu receptoare geodezice profesionale. Deoarece frecvența de funcționare a GPS-ului se află în intervalul decimetru al undelor radio, nivelul semnalului de la sateliți poate fi redus serios sub frunzișul dens al copacilor sau din cauza norilor foarte grei. Recepția normală a semnalelor GPS poate fi deteriorată de interferența de la multe surse radio terestre, precum și (în cazuri rare) de furtunile magnetice sau creată în mod deliberat de „bruitori” (această metodă de a trata alarmele mașinilor prin satelit este adesea folosită de hoții de mașini) . Bruiajul GPS a fost folosit în mod eficient pentru a contracara ghidarea rachetelor de croazieră în timpul operațiunilor din SUA și Marea Britanie în Irak și „Forța Hotărâtă” a NATO în Republica Federală Iugoslavia. Acest lucru a dus la autodistrugerea rachetelor de croazieră, precum și la zborul anormal al acestora de-a lungul unei traiectorii neautorizate [17] . Este mai eficient să se efectueze sarcini de navigație prin satelit în condiții dificile de interferență folosind rețele digitale de antene în sistemul GPS , care asigură formarea de „zerouri” în diagrama de radiație a sistemului de antenă în direcțiile către sursele de interferență activă [17] .

Înclinarea scăzută a orbitelor GPS (aproximativ 55°) degradează serios precizia în regiunile circumpolare ale Pământului, deoarece sateliții GPS nu se ridică mult deasupra orizontului, ca urmare, există o masă mare de aer pe linia de vedere , deoarece precum și eventualele obiecte din apropierea orizontului (clădiri, munți etc.) .). Erorile în determinarea pseudo-intervalului introdus de ionosferă și troposferă pentru un satelit la zenit sunt de 1 m , respectiv 2,3 m , în timp ce pentru un satelit peste orizont, aceste valori pot ajunge la 100 m și 10 m. , respectiv.

GPS-ul este implementat și operat de Departamentul de Apărare al SUA și, prin urmare, există o încredere completă pe acea agenție pentru ca alți utilizatori să primească un semnal GPS precis.

Cronologie

Starea actuală

Compoziția sistemului de navigație spațială GPS la 13 septembrie 2021 [19] :

Total GPS: 32 de nave spațiale

• Folosit în scopul propus: 31 de nave spațiale
• Retras temporar pentru întreținere: 1 navă spațială
• În etapa de dezafectare: 0 navă spațială

Note

1. ↑ GPS.gov: Precizia GPS . Preluat la 21 octombrie 2019. Arhivat din original la 4 ianuarie 2018. (nedefinit)
2. ↑ Dan Cho. tracker spațial. Ideile celor mai vechi observatori prin satelit au condus la GPS (link indisponibil) . Revista Tehnologică (2004-12-1). Preluat: 2012=12-14. Arhivat din original pe 5 ianuarie 2013. (nedefinit) 
3. ↑ 1 2 3 Declarația Cmdr. AE Fiore, Marina SUA . / Audieri privind postura militară și HR 3689, 11 aprilie 1975. - Washington, DC: US ​​​​Government Printing Office, 1975. - P. 5207-5212 - 5324 p.
4. ↑ Cursa GPS: Rusia nu are sateliți / R&D.CNews . Preluat la 2 ianuarie 2020. Arhivat din original la 2 ianuarie 2020. (nedefinit)
5. ↑ 1 2 Costuri de achiziție a programului în funcție de sistemul de arme. Bugetul Departamentului de Apărare pentru anul fiscal 1993 Arhivat la 25 februarie 2017 la Wayback Machine . - 29 ianuarie 1992. - P. 116-124 p.
6. ↑ Declarația Lt. col. Leonard R. Kruczynski, USAF, GPS Yuma Test Force . / Audieri privind postura militară și HR 3689, 11 aprilie 1975. - Washington, DC: US ​​​​Government Printing Office, 1975. - P. 5204, 5213, 5214 - 5324 p.
7. ↑ Declarația col. Brad Parkinson, USAF, Manager de program GPS . / Audieri privind postura militară și HR 3689, 11 aprilie 1975. - Washington, DC: US ​​​​Government Printing Office, 1975. - P. 5212 - 5324 p.
8. ↑ Statele Unite ale Americii actualizează tehnologia sistemului de poziționare globală
9. ↑ Cursa GPS: Rusia nu are sateliți Arhivat 26 iunie 2015. , cnews.ru, 4 iunie 2003
10. ↑ John Pike. Segmentul de control operațional GPS III (OCX) . Globalsecurity.org. Consultat la 8 decembrie 2009. Arhivat din original pe 7 septembrie 2009. (nedefinit)
11. ↑ Harta segmentului de control GPS . gps.gov. Preluat la 15 mai 2014. Arhivat din original la 17 mai 2014. (nedefinit)
12. ↑ Samama N. Poziționare globală: tehnologii și performanță . - John Wiley & Sons, 2008. - ISBN 0-470-24190-X . Arhivat pe 22 septembrie 2020 la Wayback Machine
13. ↑ Principii de funcționare a sistemului GPS și utilizarea acestuia (link inaccesibil) . loi.sscc.ru. Preluat la 25 septembrie 2019. Arhivat din original la 2 octombrie 2019. (nedefinit) 
14. ↑ Seria temporală GPS (link indisponibil) . Preluat la 26 noiembrie 2011. Arhivat din original la 22 august 2011. (nedefinit) 
15. ↑ Anuchin O.N., Emelyantsev G.I. Sisteme integrate de orientare pentru obiecte marine în mișcare / Ed. V. G. Peshekhonov. - Ed. a II-a. - Sankt Petersburg. : Centrul Științific de Stat al Federației Ruse-TsNII „Elektropribor”, 2003. - S. 160-161. — 390 s. — ISBN 5-900780-47-3 .
16. ↑ Gorbaciov A. Yu. Modelul matematic al erorilor GPS  // Aerospace Instrumentation. - M.: NAUCHTEHLITIZDAT, 2010. - Nr 5 .
17. ↑ 1 2 Slyusar V. I. Rețele de antene digitale. Soluții ale problemelor GPS  // Electronică: știință, tehnologie, afaceri. - 2009. - Emisiune. 1 . - S. 74-78 . Arhivat din original pe 22 decembrie 2018. (Rusă)
18. ↑ Space Force marchează 25 de ani de GPS Arhivat la 5 mai 2020 pe nota de aniversare Wayback Machine de pe site-ul web al Corpului Inginerilor Armatei SUA
19. ↑ TRIMBLE GNSS Planning Online . Arhivat din original pe 13 septembrie 2021. (nedefinit)

Literatură

• Alexandrov I. Sistem de radionavigație spațială NAVSTAR  // Foreign Military Review. - M. , 1995. - Nr. 5 . - S. 52-63 . — ISSN 0134-921X . (Rusă)
• Kozlovsky E. Arta poziționării  // În jurul lumii . - M. , 2006. - Nr. 12 (2795) . - S. 204-280 .
• Shebshaevich V. S. , Dmitriev P. P., Ivantsev N. V. și colab. Sisteme de radionavigație prin satelit de rețea / ed. V. S. Şebşaevici. - Ed. a II-a, revizuită. si suplimentare - M . : Radio şi comunicare, 1993. - 408 p. - ISBN 5-256-00174-4 .

Link -uri

• Site-ul oficial al guvernului SUA și al sistemului GPS cu statutul unei constelații de satelit  (ing.)

• Sisteme globale de navigație prin satelit (GNSS). Cum functioneaza? , gps-club.ru

• Declarație comună privind complementaritatea și interoperabilitatea între Galileo și GPS 
• Declarație comună privind complementaritatea și compatibilitatea GLONASS și GPS ( copie )

• GPS din interior: o descriere a protocolului NMEA